基于STM32的六足機(jī)器人控制系統(tǒng)

楊澤璽，李捍東

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽 550025）

0 引 言

在面臨一些不適合由人工探測的任務(wù)中，機(jī)器人為此提供了一個(gè)兩全其美的解決辦法。從最初的輪式機(jī)器人，到后來的履帶式機(jī)器人，再到現(xiàn)在十分熱門的仿生機(jī)器人，國內(nèi)外的學(xué)者一直都在對機(jī)器人進(jìn)行研究、并不斷優(yōu)化，移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為科技工作者關(guān)注的焦點(diǎn)，并多次被列入國家863重大課題。當(dāng)機(jī)器人面臨未知的環(huán)境時(shí)，輪式機(jī)器人和履帶機(jī)器人就變得不再適用，如果地形不平坦或者不規(guī)則，當(dāng)其執(zhí)行任務(wù)時(shí)就會(huì)受到許多限制。多足機(jī)器人則為探測這些未知地形提出了一個(gè)有效的辦法，廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)。

本文以STM32F103C8T6作為主要控制中心，3個(gè)定時(shí)器輸出18路PWM波直接控制舵機(jī)，為機(jī)器人的動(dòng)力來源，單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，控制機(jī)器人協(xié)調(diào)行走。同時(shí)具有無線遙控功能，HC-05藍(lán)牙模塊作為連接機(jī)器人和遙控器的通道，可以控制機(jī)器人的行走方式。六足機(jī)器人還搭載了一塊IMU，當(dāng)機(jī)器人走在斜坡時(shí)，仍然能保持機(jī)器人水平，機(jī)器人前面有一塊超聲波探測器，可以實(shí)時(shí)檢測前方是否有障礙物，并通過藍(lán)牙模塊將障礙物距離回傳給控制端。

1 總體設(shè)計(jì)方案

藍(lán)牙遙控六足機(jī)器人，是一個(gè)遙控裝置，分為2個(gè)部分：機(jī)器人部分和遙控部分。其中，機(jī)器人部分以STM32F103C8T6單片機(jī)為控制核心，PCA9685為舵機(jī)控制模塊，HC-05藍(lán)牙模塊作為連接遙控器和機(jī)器人的樞紐，遙控部分從藍(lán)牙模塊獲得機(jī)器人的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并且同樣以STM32F103C8T6單片機(jī)為控制核心，8個(gè)獨(dú)立按鍵作為人機(jī)交互的接口，發(fā)送行走指令。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 System design block diagram

2 硬件部分設(shè)計(jì)

藍(lán)牙遙控六足機(jī)器人主要包括以下模塊：STM32F103C8T6單片機(jī)主控制器最小系統(tǒng)模塊、藍(lán)牙模塊、電源模塊、搖桿電位器、JY901模塊，現(xiàn)對重要部分進(jìn)行闡釋分述如下。

2.1 藍(lán)牙通信模塊

HC-05藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)原理如圖2所示。HC-05藍(lán)牙模塊是一個(gè)主從一體的模塊，在模塊與模塊配對或者模塊與手機(jī)配對的時(shí)候，只需要單片機(jī)通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)即可，在本次設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人上，RXD和單片機(jī)的PA9連接，TXD和單片機(jī)的PA10連接。在遙控器上，RXD和單片機(jī)的PA1連接，TXD和單片機(jī)的PA2連接。GND和VCC分別與電源地和電源正連接。

圖2 藍(lán)牙通信模塊Fig.2 Bluetooth communication module

2.2 搖桿電位器

搖桿電位器在許多遙控器中得到了普及應(yīng)用。在撥動(dòng)搖桿時(shí)，可以改變電位器的電位值，電位值發(fā)生變化時(shí)，單片機(jī)的ADC可以檢測到是否發(fā)生變化，電位值輸出的是模擬量，而單片機(jī)通過ADC將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，STM32的ADC是16位的，所以最大值是4 096，將采集的數(shù)字量除以40.96，那么搖桿的變化值便在0～100之間，同時(shí)數(shù)據(jù)也比較穩(wěn)定，也更利于判斷搖桿的撥動(dòng)情況。搖桿電位器的設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 搖桿電位器原理圖Fig.3 Schematic diagram of rocker potentiometer

2.3 JY901姿態(tài)傳感器

JY901是一個(gè)姿態(tài)傳感器，該傳感器的核心芯片是MPU6050，可以輸出姿態(tài)角度、角速度、加速度等參數(shù)。JY901模塊就是在此基礎(chǔ)上增加了其他硬件，該模塊可以通過串口直接輸出姿態(tài)角度、角速度、加速度等姿態(tài)參數(shù)。該模塊可以通過上位機(jī)修改模塊的輸出數(shù)據(jù)、波特率等參數(shù)。本次六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，獲得姿態(tài)角這個(gè)參數(shù)，通過STM32的控制就可以使機(jī)器人在不同地形下保持水平姿態(tài)，研發(fā)實(shí)現(xiàn)的程序?qū)?huì)在后面的軟件設(shè)計(jì)中進(jìn)行分析討論。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主體程序設(shè)計(jì)

在機(jī)器人部分，先接通系統(tǒng)電源，單片機(jī)開始運(yùn)行，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括串口配置、GPIO配置、PCA9685配置等。系統(tǒng)程序運(yùn)行流程如圖4所示。

圖4 機(jī)器人運(yùn)行流程圖Fig.4 Robot operation flow chart

在遙控部分，當(dāng)接通電源后，單片機(jī)對串口、ADC以及按鍵進(jìn)行初始化，初始化完成后進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)中，不斷進(jìn)行按鍵掃描和ADC檢測，讀取按鍵值和ADC值以后，將這些數(shù)據(jù)整理為數(shù)據(jù)幀，然后發(fā)送。系統(tǒng)程序運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 遙控運(yùn)行流程圖Fig.5 Remote control operation flow chart

3.2 軟件模塊程序設(shè)計(jì)

3.2.1 JY901姿態(tài)調(diào)整模塊

JY901輸出的姿態(tài)角是通過串口輸出的，在使用模塊之前，應(yīng)該將模塊通過上位機(jī)修改波特率為115 200，讓模塊的波特率和單片機(jī)USART2的波特率一致，修改完成后開始數(shù)據(jù)傳輸。JY901每幀輸出的數(shù)據(jù)格式為：

其中，0x55為數(shù)據(jù)的幀頭。當(dāng)單片機(jī)接收到0x55時(shí)，就表明接下來的10個(gè)數(shù)據(jù)是有效數(shù)據(jù)，程序中創(chuàng)建一個(gè)容量為11的數(shù)組。當(dāng)串口接收到0x55時(shí)，將接下來的數(shù)據(jù)逐一存到數(shù)組中，接收完成后，將判斷數(shù)組的第二位是否是0x51：如果是，則數(shù)組里面的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)；如果不是，則清空數(shù)組重新接收。數(shù)據(jù)解析流程如圖6所示。

圖6 姿態(tài)調(diào)整流程圖Fig.6 Attitude adjustment flow chart

單片機(jī)在成功接收J(rèn)Y901傳來的姿態(tài)信息后，就可以知道機(jī)器人的當(dāng)前姿態(tài)，當(dāng)解析出數(shù)據(jù)小于180°時(shí)，可以知道機(jī)器人是向左傾斜的；同樣大于180°時(shí)，機(jī)器人是向右斜的；當(dāng)大于0°時(shí)，機(jī)器人是向后傾斜的；當(dāng)小于0°時(shí)，機(jī)器人是向前傾斜的。根據(jù)這個(gè)反饋關(guān)系，可以將、作為舵機(jī)的輸入?yún)?shù)，控制機(jī)器人腿的伸縮，讓機(jī)器人在一定程度上保持水平狀態(tài)，提高機(jī)器人的穩(wěn)定性。

3.2.2 機(jī)器人避障模塊

機(jī)器人避障的原理是超聲波測距。機(jī)器人前方安裝有一個(gè)超聲波模塊用于測距，而聲波傳感器的原理是測量從模塊發(fā)送超聲波經(jīng)過反射再接收到超聲波這個(gè)過程的時(shí)間。在程序中，當(dāng)需要測距的時(shí)候，單片機(jī)的一個(gè)指定GPIO口置高電平，觸發(fā)超聲波模塊的發(fā)射信號(hào)，同時(shí)打開定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，模塊發(fā)射出超聲波經(jīng)發(fā)射接收后，模塊的echo引腳會(huì)置高，該引腳會(huì)觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，在中斷程序里將關(guān)閉定時(shí)器，獲取時(shí)間，并計(jì)算出距離。

單片機(jī)在檢測到前方障礙物的距離后，判斷距離是否小于機(jī)器人最大的轉(zhuǎn)彎距離，當(dāng)距離小于一定值的時(shí)候，機(jī)器人左轉(zhuǎn)，避開障礙物。避障程序流程如圖7所示。

圖7 超聲波避障模塊Fig.7 Ultrasonic obstacle avoidance module

3.2.3 機(jī)器人與遙控器的通信

機(jī)器人與遙控器之間的通信是否順暢是控制機(jī)器人的關(guān)鍵，遙控器與機(jī)器人之間的通信協(xié)議和單片機(jī)與JY901之間的通信協(xié)議類似，遙控器發(fā)送的每幀數(shù)據(jù)長度為10個(gè)數(shù)據(jù)，前兩位數(shù)據(jù)為頭。同樣地，機(jī)器人接收數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)接收到0x55時(shí)，開始保存接下來的9個(gè)數(shù)據(jù)，再對其進(jìn)行處理。將指定電位器的值處理為速度，或者舵機(jī)的角度控制的相關(guān)控制模式。遙控器接收機(jī)器人回傳的數(shù)據(jù)的目的是驗(yàn)證數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功，其接收方式和機(jī)器人接收遙控器數(shù)據(jù)的方式一樣。

4 整體設(shè)計(jì)效果

本次設(shè)計(jì)完成后，六足機(jī)器人基本可以完成各項(xiàng)行走命令任務(wù)，例如：前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、自主避障、姿態(tài)自主調(diào)節(jié)。功能上可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、即遙控功能。本次涉及的實(shí)物拍攝圖片見圖8。

圖8 實(shí)物拍攝圖片F(xiàn)ig.8 Real shooting pictures

5 結(jié)束語

藍(lán)牙遙控六足機(jī)器人是基于STM32F103C8T6單片機(jī)作為控制中心，通過HC-05藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線遙控，PCA9685對舵機(jī)直接控制。開機(jī)后，藍(lán)牙自動(dòng)配對成功，按下遙控器按鍵，機(jī)器人便執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。為適應(yīng)可能發(fā)生的不確定地形情況，本次設(shè)計(jì)著重研究了JY901姿態(tài)傳感器的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，能夠使機(jī)器人在一些地形上具備更強(qiáng)的適應(yīng)性，提高了六足機(jī)器人的穩(wěn)定性。